LinuxIO模型概述

前言


一个socket进程进行一次read可以分成两个阶段，等待数据是否准备好，以及数据从内核copy到用户空间。 我们举个例子，肚子饿了要去小吃街吃拉面，在我们正式开始吃面之前需要1.先等拉面师傅做好面，2.然后把做好的面放到我们的桌子上。


阻塞和非阻塞


阻塞和非阻塞，主要是针对事情的本身，指做一件事后能不能返回一个结果。阻塞就是一直等待到事情做完才返回，非阻塞就是立马返回一个消息（没做好或者已经做好）。如果是阻塞进程read一直等待，进程控制权就没了，要阻塞两个阶段，数据到来和数据从内核copy到进程缓冲区。非阻塞则是read一发出立马返回一个错误信息，程序里必须不断去read直到数据到达返回可读消息，然后进程阻塞把数据从内核缓冲区copy到进程缓冲区，实际阻塞的是后面取数据的阶段。继续上面的例子，下单之后等待师傅做面的过程，我们可以一直傻乎乎地在旁边等着师傅做好。也可以先去其他地方玩玩，然后时不时一会儿跑回来问下师傅有没有做好，有没有做好...前者就是阻塞，后者就是非阻塞。等到师傅师傅做好了，我把面端回来到桌子上，这部分也是阻塞的。


对于阻塞和非阻塞而言，如果针对一个IO，非阻塞根本没阻塞的效率高。而且相对于阻塞而言，非阻塞是轮询要发出很多次系统调用的，而且很多次都是空轮询，看起来毫无优势可言。但是非阻塞IO因为等待数据阶段是非阻塞的，所以可以同时进行很多个IO操作。 继续上面的例子，我点完面之后还想去吃小笼包，还有奶茶。如果是阻塞，那么我必须等面做好了，我再去奶茶店等奶茶，等奶茶好了再去等小笼包。如果是非阻塞，我点了面后，跑到奶茶店点奶茶，然后再去小笼包店点小笼包，然后开始轮着跑三家店是否准备好了，够累的的吧？


IO多路复用


尽管非阻塞支持同时多IO，但是资源上还是很浪费，存在很多空轮询。于是出现了一种新的IO模型，叫做IO多路复用模型，最早的就是select模型和poll模型，两者开始的区别只是平台不同，而且前者有最大监控描述符限制，但是功能上差不多。select模型支持一次性监控一大堆感兴趣的IO事件发生的描述符集合，一旦有一个或多个IO准备就绪，就返回所有描述符集合。然后扫描返回列表，找到有可读或者可写的描述符，可能是一个也可能多个，进行相应第二阶段读取或者写入数据。select模型调用的时候也是阻塞的，只是它支持多路IO前提下减少了不必要的空轮询。 继续上面的例子，我为了能吃面和奶茶，小笼包三家店轮着跑而累的气喘吁吁，这时候小吃街上多了一块大屏幕，里面有各个店准备小吃的状态，比如小笼包正在做，面已经做好了，等等，我就是只需要看着大屏幕就可以了，然后筛选下哪些是已经做好了，我就去店里面取，再也不需要来回挨家挨户跑了。这个大屏幕的出现就是select模型。


select模型最大的优点就是跨平台性好，估计也就只剩这个优点了。看看它的缺点，1. 首先支持的监控的描述符集合数量有限制，内核参数决定的。2. 每次select调用进程是阻塞的，并且需要把描述符集合从用户态copy到内核态，一旦数量增加，资源消耗线性增加。3. select返回的描述符是没有经过筛选的，上面有些有IO需求，有些没有。 还是采用上面的例子，尽管有了大屏幕，你还是得等，常常去看看大屏幕。其次大屏幕上对于那些没做好的小吃对我是没有用的，我只关注做好的，还得我人工筛选，有点笨。总之，一旦我买的东西很多很多，就会很麻烦。


更新的多路复用技术epoll出现了，几乎没有最大描述符数量限制，epoll实现很复杂，每个描述符注册到内核里，只需要一次，每个socket都是非阻塞，对于每个描述符都设计了callback，而且epoll返回的都是可用的描述符集合，不需要再扫描一遍寻找可IO的描述符。epoll还支持两种触发模型，epoll水平触发和边缘触发


同步和异步


再说点同步和异步的区别，这两者主要是针对发起者而言，是指做发出指令要做一件事后是否撒手不管，计算机上看是IO系统调用后本身实现的一个逻辑而已。 对于同步，就是发出指令要去做一件事，为了知道结果，所以可能一直去等待，或者不断去轮询是否做好。而异步则是发出指令要做一件事，不管结果直接返回去做其它事情，然后等待通知，这就算是异步。在计算机上看是针对进程发出IO请求后与内核交互的过程。同步就是IO发出后进程还一直在关注IO是否完成，要么阻塞，要么轮询等待结果。而异步是用户进程发出IO请求后立马返回去做其它事情，直到内核等待数据并且把数据准备好通知进程算是异步。重点就是在通知上！对于同步才会有阻塞或者非阻塞的概念，对于异步，没什么阻塞和非阻塞了。

继续上面的例子，去小吃街吃面，如果是同步机制，点了面之后我就要么一直等待着（同步阻塞），等待师傅把面做好，或者我时不时一会儿跑过去问下师傅面做好了没（同步非阻塞）。等到师傅面做好了，我再把面端回桌子（这个过程由我自己完成，也算阻塞）。 如果是异步机制，我在点面的时候留了一个手机号码，然后告诉师傅我坐几号桌，然后就可以安心去逛街了，等到师傅把面做好了，师傅会自己把面端到我指定的桌子上，然后发短信告诉我面已经按照我的要求准备好了，所以异步的效率肯定是最好的。

总结一下：

1、同步阻塞：等待数据是否准备好：阻塞， 数据从内核copy到用户空间：阻塞

2、同步非阻塞：等待数据是否准备好：非阻塞，但是需要很多空轮询； 数据从内核copy到用户空间：阻塞

3、select/poll：等待数据是否准备好：非阻塞，多路复用减少了不必要的空轮询； 数据从内核copy到用户空间：阻塞

4、异步：通知机制